Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РAH, Черноголовка:

В. Н. Санин, вед. науч. сотр., эл. почта: svn@ism.ac.ru

Д. М. Икорников, инженер-исследователь

В. И. Юхвид, зав. лаб.

НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:

Е. А. Левашов, зав. каф. порошковой металлургии и функциональных покрытий

Алюминиды никеля эквимолярного состава (NiAl) обладают привлекательным балансом химических и физических свойств наряду с высокой температурой плавления. Поэтому сплавы на основе NiAl рассматривают как перспективные композиции для создания новых высокотемпературных конструкционных материалов для силовых установок турбинного типа. В настоящее время созданные материалы на основе NiAl имеют ограниченную пластичность при нормальных температурах и недостаточную высокотемпературную прочность. Улучшение механических характеристик сплавов на основе хрупкой интерметаллидной матрицы NiAl может быть достигнуто путем:
— легирования пластичными тугоплавкими металлами (Cr, W, Mo, Re и др.), образующими квазибинарные эвтектики с NiAl;
— создания композитных структур (введения керамических частиц или волокон Al₂O₃, SiC, Y₂O₃ и др.) или их формирование in situ.
Эти подходы позволяют заметно увеличить пластичность и высокотемпературную прочность таких материалов. Однако структура и свойства таких сплавов очень чувствительны к составу и способу получения. Причем технологии получения зачастую находятся на лабораторном уровне. Настоящая работа направлена на исследование возможности получения в режиме горения (СВС-металлургии) литых сплавов на основе системы Ni – Al – B с содержанием бора от 2,3 до 3,5 % (вес.). Синтезированные литые сплавы имели сравнительно низкую плотность 6,72 (состав 1) и 6,46 (состав 2) г/см³. Показано, что оба состава имеют композиционную структуру, где матрица формируется из твердого раствора замещения на основе NiAl с включениями τ-борида Ni₂₀Al₃B₆ и пластинчатых выделений комплексного борида (Mo, Cr)B. Описанные результаты являются первым положительным опытом по получению методами СВС-металлургии композиционных материалов на основе NiAl/τ-боридов.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы». № 14.578.21.0040.

1. Банных О. А., Поварова К. Б. Интерметаллиды — новый класс легких жаропрочных и жаростойких материалов // Технология легких сплавов. 1992. № 5. С. 26–32.
2. Поварова К. Б., Филин С. А., Масленков С. Б. Фазовые равновесия с участием β-фазы в системах Ni – Al – Me (Me — Co, Fe, Mn, CuO) при 900 и 1100 ^оС // Металлы. 1993. № 1. С. 191–205.
3. Sheng L. Y., Guo J. T., Tian Y. X., Zhou L. Z., Ye H. Q. Microstructure and mechanical properties of rapidly solidified NiAl – Cr(Mo) eutectic alloy doped with trace Dy // J. of Alloys and Compounds. 2009. Vol. 475, Iss. 1/2, P. 730–734.
4. Li H. T., Wang Q., He J. Ch., Guo J. T., Ye H. Q. β-Ti(M) solid solution formation and its thermal stability in a NiAl – Cr(Mo) – (Hf,Ti) near eutectic alloy // Materials Characterization. 2008. Vol. 59, Iss. 10. P. 1395–1399.
5. Frommeyer G., Rablbauer R., Schäfer H. J. Elastic properties of B2-ordered NiAl and NiAl–X (Cr, Mo, W) alloys // Intermetallics. 2010. Vol. 18, Iss. 3. P. 299–305.
6. Bei H., George E. P. Microstructures and mechanical properties of a directionally solidified NiAl – Mo eutectic alloy // Acta Materialia. 2005. Vol. 53, Iss. 1. P. 69–77.

7. Milenkovic S., Schneider A., Frommeyer G. Constitutional and microstructural investigation of the pseudobinary NiAl – W system // Intermetallics. 2011. Vol. 19, Iss. 3. P. 342–349.
8. Николаев А. Г., Левашов Е. А., Поварова К. Б., Титова Т. Ф., Фомина О. Н. Влияние легирования TiC, NbC и TiN на жаростойкость сплава NiAl, полученного СВС-компактированием // Физика и химия обработки материалов. 1998. № 3. С. 78–81.
9. Поварова К. Б., Николаев А. Г., Левашов Е. А., Казанская Н. К., Геминов В. П., Кошеляева В. Г., Бочвар А. Г. Получение методом СВС композиций NiAl с Y₂O₃ и TiN // Физика и химия обработки материалов. 1994. № 4/5. С. 135–143.
10. Campbell C., Kattner U. A Thermodynamic Assessment of the Ni – Al – B System // J. of Phase Equilibria. 1999. Vol. 20, Iss. 5. P. 485–496.
11. Sigworth G. K. The Grain Refinement of Aluminum and Phase Relationships in the Al – Ti – B System // Metallurgical and Materials Transactions. 1984. Vol. 15A. P. 277–282.
12. Kotzott D., Ade M., Hillebrecht H. Single crystal studies on boron-rich t-borides Ni_23–xM_xB₆ (M = Zn, Ga, In, Sn, Ir) — The surprising occurrence of B₄-tetraheda as a normal case // J. of Solid State Chemistry. 2010. Vol. 183, Iss. 10. P. 2281–2289.
13. Hillebrecht H., Ade M. B₄ Tetrahedra for Aluminum Atoms — A Surprising Substitution in t-Borides Ni₂₀Al₃B₆ and Ni₂₀AlB₁₄ // Angewandte Chemie International Edition. 1998. Vol. 37, Iss. 7. P. 935–938.
14. Ade M., Kotzott D., Hillebrecht H. Synthesis and crystal structures of the new metal-richternary borides Ni₁₂AlB₈, Ni₁₂GaB₈ and Ni_10,6Ga_0,4B₆ — examples for the first B5 zig-zag chain fragment // J. of Solid State Chemistry. 2010. Vol. 183. P. 1790–1797.
15. Yukhvid V. I., Sanin V. N., Merzhanov A. G. The Influence of High Artificial Gravity on SHS Processes // Processing by Centrifugation / ed. L. L. Regel, W. R. Wilcox. — New York : Kluwer Academic, 2001. P. 185–200.
16. Sanin V., Andreev D., Ikornikov D., Yukhvid V. Cast Intermetallic Alloys by SHS Under High Gravity // J. Acta physica polonica A. 2011. Vol. 120, Iss. 2. P. 331–335.
17. Санин В. Н., Икорников Д. М., Андреев Д. Е., Юхвид В. И. Центробежная СВС-металлургия эвтектических сплавов на основе алюминида никеля // Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2013. № 3. С. 35–42.
18. Мержанов А. Г. Процессы горения и синтез материалов. — Черноголовка : Изд. ИСМАН, 1998. — 512 с.
19. Merzhanov A. G. The Chemistry of SHS // J. of Materials Chemistry. 2004. Vol. 14, No. 12. P. 179–191.
20. Лякишев Н. П., Плинер Ю. Л., Игнатенко Г. Ф., Лаппо С. И. Алюминотермия. М. : Металлургия, 1978. — 424 с.
21. Каблов Е. Н., Бунтушкин В. П., Морозова Г. И., Базылева О. А. Основные принципы легирования интерметаллида Ni₃Al при создании высокотемпературных сплавов // ВИАМ [Электронный ресурс]. — М., 1998. — Режим доступа : http://viam.ru/public/files/1998/1998-202531.pdf.
22. ГОСТ 18898–89. Изделия порошковые. Методы определения плотности, содержания масла и пористости. — Введ. 1991–01–01.
23. Туманова Г. И. Кинетика процессов окисления при высоких температурах жаропрочных деформируемых сплавов на никелевой основе // ВИАМ [Электронный ресурс]. — М., 1998. — Режим доступа : http://viam.ru/public/files/1986/1986-199703.pdf.
24. Bloshenko V. N., Bokii V. A., Borovinskaya I. P. Regularities and mechanism for self-cleaning from impurity oxygen in obtaining molybdenum disilicide by SHS method. Combustion, Explosion and Shock Waves. 1985. Vol. 21, Iss. 2. P. 202–208.